在生物學(xué)領(lǐng)域，干細(xì)胞因其能在特定條件下分化為多種功能細(xì)胞而備受矚目。受此啟發(fā)，科學(xué)家們長期致力于通過創(chuàng)造一種多能或“干”聚合物，這種聚合物能夠通過外部刺激分化成一系列具有不同特性的不同材料。雖然化學(xué)改性一直是改變聚合物性質(zhì)的主要工具，但是需要額外的材料介入，對資源稀缺地區(qū)造成了負(fù)擔(dān)。而在大多數(shù)環(huán)境中最容易獲得的刺激是熱。例如，冶金學(xué)家通過回火、淬煉等的工藝將鋼的機(jī)械性能進(jìn)行有效改性，使其能夠滿足從刀具到橋梁等不同需求范圍。受此啟發(fā)，如果將具有室溫動(dòng)態(tài)thia-Michael鍵的聚合物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加熱控制和冷卻循環(huán)回火，或許可以獲得具有強(qiáng)大機(jī)械性能的聚合物薄膜。

近期來自芝加哥大學(xué)的Stuart J. Rowan團(tuán)隊(duì)將一種單一的聚合物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回火等系列熱調(diào)節(jié)動(dòng)作，成功開發(fā)出來具有不同力學(xué)特性的聚合物材料。其功能類似于干細(xì)胞概念，能夠從單一的聚合物材料通過簡單的溫度條件分化為具有多種機(jī)械性能的多能聚合物材料，例如從硬、脆、軟到柔性等性能。這種方法是通過包含thia-Michael鍵實(shí)現(xiàn)的，與聚合物中的共價(jià)鍵相比，thia-Michael鍵相對較弱，并能在較低溫度下重新排列。在較高的回火溫度下，thia-Michael網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度會(huì)降低，導(dǎo)致材料的剛度降低，而在較低的溫度下回火則會(huì)產(chǎn)生更硬的材料。這種材料之所以具有形狀記憶特性，是因?yàn)榻Y(jié)合交聯(lián)和非結(jié)合交聯(lián)的變化導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)反應(yīng)引起的相分離。該研究近期發(fā)表在Science上，引起了不小的轟動(dòng)。

這項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于描述了一種設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò)材料的策略，該材料利用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)和相分離之間的協(xié)同關(guān)系，只需簡單地改變回火溫度，材料即可實(shí)現(xiàn)多樣的材料性能。材料同時(shí)具有形狀記憶特性，通過對材料形狀因子和編程的仔細(xì)控制可以控制材料響應(yīng)。材料不僅可以通過控制回火而獲得需要的被動(dòng)性能，而且還可以合理設(shè)計(jì)以創(chuàng)造適應(yīng)性強(qiáng)的多功能材料。

圖1 多能聚合物的設(shè)計(jì)過程

圖2  N_xY材料的回火工藝

圖3  N_xY材料的可再加工性

圖4  N₆₃Y材料的強(qiáng)適應(yīng)性和適中的回火溫度

研究者結(jié)合可重構(gòu)鍵的存在、動(dòng)態(tài)鍵在回火窗口內(nèi)的熱敏性，以及室溫下回火性能的穩(wěn)定性，采用thia-Michael網(wǎng)絡(luò)作為探索合成材料回火的原型系統(tǒng)。考慮到N₆₃的室溫操作窗口和較大的G′（溫度相關(guān)存儲(chǔ)模量）變化，作者選擇N₆₃來進(jìn)一步研究NxY薄膜回火的潛在機(jī)制。實(shí)驗(yàn)證明了在特定操作溫度下(本研究為室溫)回火機(jī)械性能的能力，即在不進(jìn)行何化學(xué)修飾的情況下輕松地在這些性能之間切換，并將回火性能保留一個(gè)多月。

該研究進(jìn)一步展示了如何將生物學(xué)中干細(xì)胞的功能在材料中找到對應(yīng)性能，為制造干細(xì)胞型材料提供了新思路，未來需要進(jìn)一步研究這種干細(xì)胞材料的適應(yīng)性，進(jìn)一步提升干細(xì)胞材料在分化后的機(jī)械性能。此外，研究其他外部刺激對干細(xì)胞材料的分化影響也是一種有潛力的研究方向。

參考論文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5009